4-dimensional wavefront reconstruction for laser-tomography adaptive optics

• Project/Area Number: 22K14079
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 16010:Astronomy-related
• Research Institution: National Astronomical Observatory of Japan
• Principal Investigator: 大野 良人 国立天文台, ハワイ観測所, 助教 (20818017)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2024: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2022: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
• Keywords: 補償光学 / 大気揺らぎ / トモグラフィ / 波面センサー / 機械学習

Outline of Research at the Start

本研究では宇宙望遠鏡を凌駕する可視波長域で0.04秒角以下の高空間分解能観測を実現するために、複数のレーザーガイド星とトモグラフィ技術を用いて大気揺らぎを3次元的に測定・補正するレーザートモグラフィ補償光学の性能をさらに向上させる波面推定手法の開発を行う。限られた波面センサーの情報から時間変化する大気揺らぎの影響を高精度で推定するために、これまでの空間3次元に加えて大気揺らぎの時間変化の性質を利用した４次元的な波面推定手法を開発し、すばる望遠鏡用に開発が進められているレーザートモグラフィ補償光学装置での実証を行う。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では宇宙望遠鏡を凌駕する可視波長域で0.04秒角以下の高空間分解能観測を実現するために、複数のレーザーガイド星とトモグラフィ技術を用いて大気揺らぎを3次元的に測定・補正するレーザートモグラフィ補償光学(LTAO)の性能をさらに向上させる波面推定手法の開発を行う。限られた波面センサーの情報から時間変化する大気揺らぎの影響を高精度で推定するために、これまでの空間3次元に加えて大気揺らぎの時間変化の性質を利用した４次元的な波面推定手法を開発し、すばる望遠鏡用に開発が進められているレーザートモグラフィ補償光学装置での実証を行う。今年度は、まずシミュレーションを行うための大規模計算機の導入を進めた。この導入した計算機と所持しているGPUを用いた並列計算を導入することでAOシミュレーション計算が20倍以上高速になり、より細かい時間サンプリングのシミュレーションが可能となった。その結果、今まで考慮してこなかった波面センサー検出機のローリングシャッター読み出しによる画像の行ごとの時間ずれがLTAOの性能に影響することが明らかになった。そのため目標としている性能を達成するためには、単純な大気揺らぎの時間変化だけでなく、ローリングシャッター読み出しによる画像内の時間差についても考慮した推定手法の開発が必要となることがわかった。
大気揺らぎの時間変化については共同研究者と共に解析を進めてきた。波面センサーで得られた明るさの揺らぎから高層の揺らぎの風速を推定し、他の測定と一致する結果が得られた。より複雑な変化をする地表付近や望遠鏡ドーム内の揺らぎについては、引き続き測定を行いつつ調査を進めていく。波面推定手法については開発途中である。今後、今年度に明らかとなったローリングシャッターの影響も含めて時間方向の情報を用いた推定手法を開発し、実証機を用いた実証を行なっていく。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

大規模計算のための環境については整備を完了し、これまでよりも効率的かつ詳細なシミュレーションを行うことができるようになった。また、大気揺らぎの時間変化の性質の調査については共同研究者と共に解析を進めており、そこまで大きな遅れとはなっていない。一方で、波面推定手法の開発については、今年度に明らかとなったローリングシャッターの影響も考慮した手法の開発が必要であり、次年度に引き続き行なっていく必要がある。並行して、開発する推定手法を実証機に制御系にどのように実証するかの検討も進めており、様々な手法に対応できるような制御系の設計を考えることで、新しい推定手法を開発後すぐに実装できるようにする。

Strategy for Future Research Activity

最終年度はこれまで得られた大気揺らぎの時間変化の情報や波面センサーの検出機のローリングシャッターの影響を考慮した新しい波面推定手法を開発し、シミュレーションと実証機での実証を行うことを目的とする。年度の前半では、これまで構築した大規模計算環境を活用して、手法の開発とシミュレーションによる実証を進める。後半部分では、開発した手法の実証機への実装を進める。実証機は年度の終わりにすばる望遠鏡に搭載される予定であるため、年度内のオンスカイでの試験は困難であることが予想されるが、実験室での望遠鏡や大気揺らぎを模したシミュレータ光学系が構築されているため、それらを用いた実証を進め、将来のオンスカイでの試験に臨むための準備を完了する予定である。